資源簡介

(共46張PPT)
6．光的衍射與偏振　
7．激光
第四章　光及其應用
學習任務
1．了解光的衍射現象、偏振現象，知道激光的特性。
2．知道自然光和偏振光的區別。
3．借助實例分析推理，知道光是橫波。
4．通過觀察得出光明顯衍射的條件。
5．經歷光的偏振實驗的過程，體會偏振光的特性。
6．通過生活中實例觀察，引導學生體會物理之美，培養學習興趣。
必備知識·自主預習儲備
知識點一　光的衍射
1．用單色平行光照射狹縫，當縫很____時，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，散開到________的范圍。這就是光的衍射現象。
2．各種不同形狀的障礙物都能使光發生______，致使影像的輪廓__________，甚至出現__________的條紋。
3．發生明顯衍射現象的條件：在障礙物的尺寸跟光的波長______，甚至比光的波長還____的時候，衍射現象十分明顯。
窄
相當大
衍射
模糊不清
明暗相間
相當
小
思考　“當障礙物較大時，衍射現象就不會發生”，這種觀點正確嗎？
提示：不正確。
知識點二　光的偏振
1．自然光和偏振光
(1)自然光：太陽、電燈等普通光源發出的光，包含著在垂直于______方向上沿______方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光的強度都相同。
(2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個______的方向振動的光。
傳播
一切
特定
2．光的偏振
偏振現象 只有沿偏振片的“ ______方向”振動的光波才能通過偏振片
結論 偏振現象表明，光是一種____波
偏振光
的形成 ①自然光通過________后，得到偏振光
②自然光在介質表面反射時，______光和______光都是偏振光
偏振現象
的應用 把偏振片裝在照相機鏡頭前，可以減弱反射光使景像清晰
透振
橫
偏振片
反射
折射
知識點三　激光的主要特性及應用
特點 性質 應用
相干
性好 只有頻率______、相位差______、振動方向______的光才是相干光。激光是一種人工產生的相干光，具有高度的相干性 光纖通信
相同
恒定
一致
特點 性質 應用
方向
性好 激光的________非常好，在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度 精確的測距
強度大 它可以在很小的______和很短的______內集中很大的______ 用激光束切割、焊接；醫學上可以用激光制成“光刀”
平行度
空間
時間
能量
體驗　思考辨析(正確的打√，錯誤的打×)
(1)白光通過盛水的玻璃杯，在適當的角度，可看到彩色光，是光的衍射現象。 (　　)
(2)用兩支圓柱形鉛筆并在一起，形成一個狹縫，使狹縫平行于日光燈，會看到彩色的衍射條紋。 (　　)
(3)偏振光沿各個方向振動的光波的強度都相同。 (　　)
(4)除了從光源直接發出的光以外，我們通常看到的絕大部分光都是偏振光。 (　　)
×
√
×
√
(5)如果偏振片的透振方向與偏振光的振動方向垂直，偏振光幾乎不能透過偏振片。 (　　)
(6)激光是一種人工產生的相干光。 (　　)
(7)用激光做雙縫干涉實驗這是應用了激光具有高度的相干性的特點。
(　　)
(8)激光精確測距是利用激光的平行度好的特點。 (　　)
√
√
√
√
關鍵能力·情境探究達成
取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一。先用點光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現一個明亮的圓形光斑如圖a；再換上圓孔中等的那塊板，在屏上會出現圖b；最后用圓孔最小(直徑約為1 mm)的那塊板，在屏上會出現圖c。
(1)圖b中的屏上產生了什么現象？
(2)比較屏上圖b和圖c說明了什么？
提示：(1)衍射。
(2)孔越小，衍射現象越明顯。
考點1　光的衍射
1．產生明顯衍射的條件
障礙物的尺寸跟光的波長相近或比光的波長還要小時能產生明顯的衍射。對同樣的障礙物，波長越長的光，衍射現象越明顯；對某種波長的光，障礙物越小，衍射現象越明顯。由于波長越長，衍射性越好，所以觀察到聲波的衍射現象就比觀察到光波的衍射現象容易得多。
2．三種不同的衍射現象及特點
(1)單縫衍射
①現象：如圖所示，點光源S發出的光經過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳播而是傳到幾何陰影區，在AA′、BB′區出現亮暗相間的條紋，即發生了衍射現象。
②單縫衍射圖樣的四個特點：
a．中央條紋亮而寬。
b．兩側亮條紋具有對稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱。
c．波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大；單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大。
d．白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側為彩色條紋，且外側呈紅色，靠近白色亮條紋的內側為紫色。
(2)圓孔衍射
①現象：圓孔衍射如圖甲所示，當擋板AB上的圓孔較大時，光屏上出現如圖乙a中所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現象發生；當擋板AB上的圓孔很小時，光屏上出現如圖乙b中所示的衍射圖樣，出現明暗相間的圓環。
甲　
a　　　　　b　　　　　c　
乙
②圓孔衍射圖樣的兩個特點：
a．單色光的圓孔衍射圖樣中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環。越向外，亮環亮度越低。
b．白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環。
(3)泊松亮斑——障礙物的衍射現象
①現象：各種不同形狀的障礙物也能使光發生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個較小的圓形障礙物，會發現在陰影中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖乙c中所示。
②障礙物的衍射圖樣的特點：
圓形陰影中心有一亮斑，圓形陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環。與小孔衍射圖樣有明顯區別。
【典例1】　(多選)對于光的衍射現象，下列說法正確的是(　　)
A．只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長相比，甚至比波長還要小的時候，才能產生明顯的衍射現象
B．衍射現象是光特有的現象，只有光才會發生衍射
C．光的衍射現象否定了光沿直線傳播的結論
D．光的衍射現象說明了光具有波動性
思路點撥：通過衍射現象可知光具有波動性。
√
√
AD　[光的干涉現象和衍射現象說明了光具有波動性，在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時候，衍射現象比較明顯，只有在光的波長比障礙物的尺寸小的情況下，光才可以看成是沿直線傳播的，所以光的衍射現象和光沿直線傳播是不矛盾的，它們是光在不同條件下產生的兩種現象，衍射現象是波特有的現象，故正確的選項是A、D。]
規律方法　 對衍射現象的理解
(1)衍射現象是否明顯方面：入射光波長越大，障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小，衍射現象越明顯。
(2)衍射條紋的亮度方面：小孔和狹縫的尺寸越小，衍射條紋的亮度越小。
[跟進訓練]
1．下列屬于光的衍射現象的是(　　)
A　　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　　D　
√
A　[光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面傳播的現象，叫光的衍射， A屬于光的衍射現象，B、C屬于光的干涉現象，D屬于光的色散。故選A。]
考點2　光的偏振
1．偏振片和透振方向
偏振片由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿著某個特定方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個方向叫作“透振方向”。
2．自然光和偏振光的比較
自然光 偏振光
成因 從光源(如太陽、電燈等)直接發出的光 自然光通過偏振片后就變成了偏振光，反射光、折射光均為偏振光
振動
方向 在垂直于傳播方向的平面內，沿著各個方向振動 在垂直于傳播方向的平面內，并且只有一個振動方向
自然光 偏振光
經偏振片后現
象比較
如上圖所示，通過偏振片后，自然光就變成了偏振光，轉動偏振片，偏振光的亮度不變，但偏振方向隨之變化 如上圖所示，偏振光經偏振片后，若偏振方向與透振方向平行，則屏亮；若垂直，則屏暗；若介于兩者之間，則屏上亮度介于兩者之間并隨偏振方向與透振方向夾角的增大而變暗
【典例2】　(多選)在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏，如圖所示，則下列說法不正確的是
(　　)
A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變
B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱
C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變
D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱
√
√
AC　[P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉變為偏振光，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強最小，即無論旋轉P還是Q，屏上的光強都是時強時弱，故選AC。]
規律方法　 對偏振光的理解
(1)自然光通過一個偏振片成為偏振光，透射光的偏振方向與偏振片的方向有關，但光的強度與偏振片的方向無關。
(2)偏振光通過偏振片時，透光的強度與偏振方向和透振方向的夾角大小有關。
[跟進訓練]
2．有一種魔術道具稱為“穿墻而過”。其結構是兩片塑料偏振片卷起來，放進空心的透明圓筒內，中間兩偏振片重疊區域給觀眾感覺為一塊“擋板”，如圖甲所示。當圓筒中的小球從B端滾向A端，居然穿過了“擋板”，如圖乙所示。則(　　)
√
A．該魔術說明光是橫波
B．該魔術對觀眾的觀察角度有要求
C．只用一片塑料偏振片也可以完成該魔術
D．該魔術中對兩偏振片卷起來的方式無要求
A　[光的偏振現象說明光是橫波，故A正確；任何角度的光都會發生偏振現象，故不同角度的觀眾看到的現象相同，故對觀察角度無要求，故B錯誤；偏振片的特點為當偏振片偏振方向與偏振光的方向平行時，偏振光可以通過偏振片，當偏振片偏振方向與偏振光的方向垂直時，偏振光不能通過偏振片，則在中間區域放垂直偏振片和水平偏振片，將兩偏振片卷起來，且部分重合，自然光通過兩片偏振方向互相垂直的偏振片時，光強減弱，形成黑影，看起來就像一道墻，一片偏振片無法完成實驗，故C、D錯誤。故選A。]
考點3　激光
1．激光的產生
激光是實驗室中制造出的光，發光的方向、頻率、偏振方向均相同，兩列相同激光相遇可以發生干涉。
2．激光的特點
(1)激光是人工產生的相干光，其單色性好，相干性好。
(2)激光的平行度好。從激光器發出的激光具有極好的平行性，幾乎是一束方向不變、發散角很小的平行光。傳播幾千米后，激光斑擴展范圍不過幾厘米，而探照燈的光束能擴展到幾十米范圍。
(3)亮度高。激光可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量。
【典例3】　關于激光的應用，下列說法正確的是(　　)
A．光纖通信是應用激光平行度非常好的特點對信號進行調制，使其在光導纖維中傳遞信息的
B．計算機內的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應用激光有相干性的特點
C．醫學中用激光做“光刀”來切除腫瘤是應用了激光亮度高的特點
D．“激光測距雷達”利用激光測量很遠目標的距離是應用了激光亮度高的特點
√
C　[由激光的特點及應用可知光纖通信主要利用了激光具有高度的相干性，A錯誤；計算機內的“磁頭”讀出光盤上的信息主要應用了激光的平行度好，B錯誤；醫療中用激光制成“光刀”利用了激光的亮度高的特點，C正確；激光測距利用的是激光的平行度好的特點，D錯誤。]
[跟進訓練]
3．(多選)激光的發明是20世紀科學技術劃時代的一項重要成就。關于激光的下列說法正確的是(　　)
A．可利用激光進行通信
B．可利用激光加工堅硬材料
C．可利用激光進行室內照明
D．激光是由自然界中某種物質直接發光產生的
√
√
AB　[激光能夠傳遞聲音、圖像等信息，因此可以利用激光進行通信，故A正確；激光的強度很大，可以用來切割、加工較硬的材料，故B正確； 室內照明需要更多的散射光，而激光的方向性比較好，是單方向的光，不適合室內照明，故C錯誤；激光是人造光，自然界中無法直接產生，故D錯誤。故選AB。]
學習效果·隨堂評估自測
1．(多選)關于四個圖的敘述正確的是
(　　)
2
4
3
題號
1
A．圖甲中，激光切割機主要利用了激光亮度高的特性
B．圖乙中，檢查工件的平整度是利用光的干涉現象
C．圖丙中，觀看立體電影時戴的眼鏡利用了光的偏振原理
D．圖丁中，夏日雷聲有時轟鳴不絕，這是聲波的衍射現象
2
4
3
題號
1
√
ABC　[激光切割是利用了激光的亮度高、能量集中性好的特性，故A正確；用透明的標準平面樣板檢查光學平面的平整度是利用光的干涉現象，故B正確；觀看立體電影佩戴的眼鏡利用了光的偏振原理，故C正確；夏日雷聲有時轟鳴不絕，這是聲波的反射引起的回聲現象，故D錯誤。故選ABC。]
√
√
2．某同學使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條寬為0.05 mm的窄縫，進行光的衍射實驗，如圖所示，則他在光屏上看到的條紋是(　　)　
2
3
題號
1
4
√
A　　　　B　　　　C　　　　D　
B　[根據衍射條紋的特點進行判斷，光的衍射條紋與狹縫平行，且中間寬、兩邊窄，間距不等，故B正確，A、C、D錯誤。]
3．(新情境題，以光纖電流傳感器為背景，考查光的偏振)如圖所示為光纖電流傳感器示意圖，它用來測量高壓線路中的電流。激光器發出的光經過左側偏振元件后變成偏振光，該偏振光受到輸電線中磁場作用，其偏振方向發生旋轉，通過右側偏振元件可測得最終偏振方向，由此得出高壓線路中的電流大小，圖中左側偏振元件是起偏器，出射光的偏振方向與其透
振方向_________(選填“相同”或“不相同”)，
右側偏振元件稱為______________。
2
3
題號
4
1
相同
檢偏器
[解析]　使自然光先經起偏器成為偏振光，出射光的偏振方向與其透振方向相同。右側偏振元件可測得最終偏振方向，所以它是檢偏器。
2
3
題號
4
1
回歸本節知識，自我完成以下問題：
1．光發生明顯衍射的條件是什么？
提示：障礙物或孔的尺寸與波長相差不多，甚至比波長還小。
2．什么是光的偏振現象？
提示：只有沿偏振片的“透振方向”振動的光才能透過偏振片的現象。
3．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
閱讀材料·拓寬物理視野
照耀未來的激光
激光并非只是科幻影片中最有用的射線，早在1917年，愛因斯坦最先提出這樣一種假設：光的發射與吸收可經由受激吸收、受激輻射與自發輻射3種基本過程。但在這以后相當長的一段時間內，有關受激輻射的研究并未引起人們的足夠重視。直到20世紀50年代，科學家才找到將它用在器件上的方法。1958年，應用這種理論研制出第一臺激光裝置；1960年，美國物理學家梅曼用一個紅寶石棒制
造出第一臺激光器。在當時，激光僅是一種漂亮的發明，因為任何人，包括制造激光的科學家都沒能提出激光實際應用的設想。幾十年后的今天，形勢完全變了，激光在各個領域得到了廣泛的應用，已經成為一種不可替代的工具。從商品上的條形碼到尖端的外科手術，從激光打印機到激光雷達，激光顯然已經成為照耀現代科技的一道光芒。
激光是一種特殊的光，它能把巨大的能量投向一個很小的范圍，這束光可能強到足以氣化很硬或很耐熱的材料。激光是強烈的單色光，即只有一種顏色，因此光子的能量也是一樣的。激光不同于太陽光和燈光，因為后兩種光是由各種類型的能量組成，具有各種顏色，而激發紅寶石的電子得到的是紅激光束，而綠或藍激光束的獲得是激發氬或氪的氣體“云”。這樣人們就可以根據不同顏色即不同能量，正確地應用激光。
問題
1．激光是怎樣產生的？
提示：激光是原子受激輻射產生的光。
2．激光有何特點？
提示：激光的三大特點：相干性好、平行度好、亮度高。6．光的衍射與偏振
7．激光
1．了解光的衍射現象、偏振現象，知道激光的特性。
2．知道自然光和偏振光的區別。
3．借助實例分析推理，知道光是橫波。
4．通過觀察得出光明顯衍射的條件。
5．經歷光的偏振實驗的過程，體會偏振光的特性。
6．通過生活中實例觀察，引導學生體會物理之美，培養學習興趣。
知識點一　光的衍射
1．用單色平行光照射狹縫，當縫很窄時，光沒有沿直線傳播，它繞過了縫的邊緣，散開到相當大的范圍。這就是光的衍射現象。
2．各種不同形狀的障礙物都能使光發生衍射，致使影像的輪廓模糊不清，甚至出現明暗相間的條紋。
3．發生明顯衍射現象的條件：在障礙物的尺寸跟光的波長相當，甚至比光的波長還小的時候，衍射現象十分明顯。
　“當障礙物較大時，衍射現象就不會發生”，這種觀點正確嗎？
提示：不正確。
知識點二　光的偏振
1．自然光和偏振光
(1)自然光：太陽、電燈等普通光源發出的光，包含著在垂直于傳播方向上沿一切方向振動的光，而且沿著各個方向振動的光的強度都相同。
(2)偏振光：在垂直于傳播方向的平面上，只沿著某個特定的方向振動的光。
2．光的偏振
偏振現象 只有沿偏振片的“ 透振方向”振動的光波才能通過偏振片
結論 偏振現象表明，光是一種橫波
偏振光 的形成 ①自然光通過偏振片后，得到偏振光 ②自然光在介質表面反射時，反射光和折射光都是偏振光
偏振現象 的應用 把偏振片裝在照相機鏡頭前，可以減弱反射光使景像清晰
知識點三　激光的主要特性及應用
特點 性質 應用
相干 性好 只有頻率相同、相位差恒定、振動方向一致的光才是相干光。激光是一種人工產生的相干光，具有高度的相干性 光纖通信
方向 性好 激光的平行度非常好，在傳播很遠的距離后仍能保持一定的強度 精確的測距
強度 大 它可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量 用激光束切割、焊接；醫學上可以用激光制成“光刀”
思考辨析(正確的打√，錯誤的打×)
(1)白光通過盛水的玻璃杯，在適當的角度，可看到彩色光，是光的衍射現象。 (×)
(2)用兩支圓柱形鉛筆并在一起，形成一個狹縫，使狹縫平行于日光燈，會看到彩色的衍射條紋。 (√)
(3)偏振光沿各個方向振動的光波的強度都相同。 (×)
(4)除了從光源直接發出的光以外，我們通常看到的絕大部分光都是偏振光。 (√)
(5)如果偏振片的透振方向與偏振光的振動方向垂直，偏振光幾乎不能透過偏振片。 (√)
(6)激光是一種人工產生的相干光。 (√)
(7)用激光做雙縫干涉實驗這是應用了激光具有高度的相干性的特點。 (√)
(8)激光精確測距是利用激光的平行度好的特點。 (√)
取3塊不透光的板，在每塊板的中間各開1個圓孔，3塊板所開的圓孔大小不一。先用點光源照射圓孔最大的那塊板，在屏上會出現一個明亮的圓形光斑如圖a；再換上圓孔中等的那塊板，在屏上會出現圖b；最后用圓孔最小(直徑約為1 mm)的那塊板，在屏上會出現圖c。
(1)圖b中的屏上產生了什么現象？
(2)比較屏上圖b和圖c說明了什么？
提示：(1)衍射。
(2)孔越小，衍射現象越明顯。
考點1　光的衍射
1．產生明顯衍射的條件
障礙物的尺寸跟光的波長相近或比光的波長還要小時能產生明顯的衍射。對同樣的障礙物，波長越長的光，衍射現象越明顯；對某種波長的光，障礙物越小，衍射現象越明顯。由于波長越長，衍射性越好，所以觀察到聲波的衍射現象就比觀察到光波的衍射現象容易得多。
2．三種不同的衍射現象及特點
(1)單縫衍射
①現象：如圖所示，點光源S發出的光經過單縫后照射到光屏上，若縫較寬，則光沿直線傳播，傳播到光屏上的AB區域；若縫足夠窄，則光不再沿直線傳播而是傳到幾何陰影區，在AA′、BB′區出現亮暗相間的條紋，即發生了衍射現象。
②單縫衍射圖樣的四個特點：
a．中央條紋亮而寬。
b．兩側亮條紋具有對稱性，亮條紋寬度逐漸變窄，亮度逐漸減弱。
c．波長一定時，單縫窄的中央條紋寬，條紋間距大；單縫不變時，光波波長大的中央條紋寬，條紋間距大。
d．白光的單縫衍射條紋中央為白色亮條紋，兩側為彩色條紋，且外側呈紅色，靠近白色亮條紋的內側為紫色。
(2)圓孔衍射
①現象：圓孔衍射如圖甲所示，當擋板AB上的圓孔較大時，光屏上出現如圖乙a中所示的情形，光沿直線傳播，無明顯衍射現象發生；當擋板AB上的圓孔很小時，光屏上出現如圖乙b中所示的衍射圖樣，出現明暗相間的圓環。
甲
a　　　　　b　　　　　c
乙
②圓孔衍射圖樣的兩個特點：
a．單色光的圓孔衍射圖樣中央亮圓的亮度大，外面是明暗相間的不等距的圓環。越向外，亮環亮度越低。
b．白光的圓孔衍射圖樣中央亮圓為白色，周圍是彩色圓環。
(3)泊松亮斑——障礙物的衍射現象
①現象：各種不同形狀的障礙物也能使光發生衍射，使影的輪廓模糊不清。若在單色光傳播途中，放一個較小的圓形障礙物，會發現在陰影中心有一個亮斑，這就是著名的泊松亮斑，如圖乙c中所示。
②障礙物的衍射圖樣的特點：
圓形陰影中心有一亮斑，圓形陰影的邊緣是模糊的，在陰影外還有不等間距的明暗相間的圓環。與小孔衍射圖樣有明顯區別。
【典例1】　(多選)對于光的衍射現象，下列說法正確的是(　　)
A．只有障礙物或孔的尺寸可以跟光波波長相比，甚至比波長還要小的時候，才能產生明顯的衍射現象
B．衍射現象是光特有的現象，只有光才會發生衍射
C．光的衍射現象否定了光沿直線傳播的結論
D．光的衍射現象說明了光具有波動性
思路點撥：通過衍射現象可知光具有波動性。
AD　[光的干涉現象和衍射現象說明了光具有波動性，在障礙物的尺寸可以跟光的波長相比，甚至比光的波長還小的時候，衍射現象比較明顯，只有在光的波長比障礙物的尺寸小的情況下，光才可以看成是沿直線傳播的，所以光的衍射現象和光沿直線傳播是不矛盾的，它們是光在不同條件下產生的兩種現象，衍射現象是波特有的現象，故正確的選項是A、D。]
　 對衍射現象的理解
(1)衍射現象是否明顯方面：入射光波長越大，障礙物、小孔和狹縫的尺寸越小，衍射現象越明顯。
(2)衍射條紋的亮度方面：小孔和狹縫的尺寸越小，衍射條紋的亮度越小。
[跟進訓練]
1．下列屬于光的衍射現象的是(　　)
A　　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　　D
A　[光在傳播過程中，遇到障礙物或小孔時，光將偏離直線傳播的路徑而繞到障礙物后面傳播的現象，叫光的衍射， A屬于光的衍射現象，B、C屬于光的干涉現象，D屬于光的色散。故選A。]
考點2　光的偏振
1．偏振片和透振方向
偏振片由特定的材料制成，每個偏振片都有一個特定的方向，只有沿著某個特定方向振動的光波才能順利通過偏振片，這個方向叫作“透振方向”。
2．自然光和偏振光的比較
自然光 偏振光
成因 從光源(如太陽、電燈等)直接發出的光 自然光通過偏振片后就變成了偏振光，反射光、折射光均為偏振光
振動 方向 在垂直于傳播方向的平面內，沿著各個方向振動 在垂直于傳播方向的平面內，并且只有一個振動方向
經偏振 片后現 象比較
如上圖所示，通過偏振片后，自然光就變成了偏振光，轉動偏振片，偏振光的亮度不變，但偏振方向隨之變化 如上圖所示，偏振光經偏振片后，若偏振方向與透振方向平行，則屏亮；若垂直，則屏暗；若介于兩者之間，則屏上亮度介于兩者之間并隨偏振方向與透振方向夾角的增大而變暗
【典例2】　(多選)在垂直于太陽光的傳播方向前后放置兩個偏振片P和Q，在Q的后邊放上光屏，如圖所示，則下列說法不正確的是(　　)
A．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度不變
B．Q不動，旋轉偏振片P，屏上光的亮度時強時弱
C．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度不變
D．P不動，旋轉偏振片Q，屏上光的亮度時強時弱
AC　[P是起偏器，它的作用是把太陽光(自然光)轉變為偏振光，該偏振光的振動方向與P的透振方向一致，所以當Q與P的透振方向平行時，通過Q的光強最大；當Q與P的透振方向垂直時，通過Q的光強最小，即無論旋轉P還是Q，屏上的光強都是時強時弱，故選AC。]
　 對偏振光的理解
(1)自然光通過一個偏振片成為偏振光，透射光的偏振方向與偏振片的方向有關，但光的強度與偏振片的方向無關。
(2)偏振光通過偏振片時，透光的強度與偏振方向和透振方向的夾角大小有關。
[跟進訓練]
2．有一種魔術道具稱為“穿墻而過”。其結構是兩片塑料偏振片卷起來，放進空心的透明圓筒內，中間兩偏振片重疊區域給觀眾感覺為一塊“擋板”，如圖甲所示。當圓筒中的小球從B端滾向A端，居然穿過了“擋板”，如圖乙所示。則(　　)
A．該魔術說明光是橫波
B．該魔術對觀眾的觀察角度有要求
C．只用一片塑料偏振片也可以完成該魔術
D．該魔術中對兩偏振片卷起來的方式無要求
A　[光的偏振現象說明光是橫波，故A正確；任何角度的光都會發生偏振現象，故不同角度的觀眾看到的現象相同，故對觀察角度無要求，故B錯誤；偏振片的特點為當偏振片偏振方向與偏振光的方向平行時，偏振光可以通過偏振片，當偏振片偏振方向與偏振光的方向垂直時，偏振光不能通過偏振片，則在中間區域放垂直偏振片和水平偏振片，將兩偏振片卷起來，且部分重合，自然光通過兩片偏振方向互相垂直的偏振片時，光強減弱，形成黑影，看起來就像一道墻，一片偏振片無法完成實驗，故C、D錯誤。故選A。]
考點3　激光
1．激光的產生
激光是實驗室中制造出的光，發光的方向、頻率、偏振方向均相同，兩列相同激光相遇可以發生干涉。
2．激光的特點
(1)激光是人工產生的相干光，其單色性好，相干性好。
(2)激光的平行度好。從激光器發出的激光具有極好的平行性，幾乎是一束方向不變、發散角很小的平行光。傳播幾千米后，激光斑擴展范圍不過幾厘米，而探照燈的光束能擴展到幾十米范圍。
(3)亮度高。激光可以在很小的空間和很短的時間內集中很大的能量。
【典例3】　關于激光的應用，下列說法正確的是(　　)
A．光纖通信是應用激光平行度非常好的特點對信號進行調制，使其在光導纖維中傳遞信息的
B．計算機內的“磁頭”讀出光盤上記錄的信息是應用激光有相干性的特點
C．醫學中用激光做“光刀”來切除腫瘤是應用了激光亮度高的特點
D．“激光測距雷達”利用激光測量很遠目標的距離是應用了激光亮度高的特點
C　[由激光的特點及應用可知光纖通信主要利用了激光具有高度的相干性，A錯誤；計算機內的“磁頭”讀出光盤上的信息主要應用了激光的平行度好，B錯誤；醫療中用激光制成“光刀”利用了激光的亮度高的特點，C正確；激光測距利用的是激光的平行度好的特點，D錯誤。]
[跟進訓練]
3．(多選)激光的發明是20世紀科學技術劃時代的一項重要成就。關于激光的下列說法正確的是(　　)
A．可利用激光進行通信
B．可利用激光加工堅硬材料
C．可利用激光進行室內照明
D．激光是由自然界中某種物質直接發光產生的
AB　[激光能夠傳遞聲音、圖像等信息，因此可以利用激光進行通信，故A正確；激光的強度很大，可以用來切割、加工較硬的材料，故B正確； 室內照明需要更多的散射光，而激光的方向性比較好，是單方向的光，不適合室內照明，故C錯誤；激光是人造光，自然界中無法直接產生，故D錯誤。故選AB。]
1．(多選)關于下列四個圖的敘述正確的是(　　)
A．圖甲中，激光切割機主要利用了激光亮度高的特性
B．圖乙中，檢查工件的平整度是利用光的干涉現象
C．圖丙中，觀看立體電影時戴的眼鏡利用了光的偏振原理
D．圖丁中，夏日雷聲有時轟鳴不絕，這是聲波的衍射現象
ABC　[激光切割是利用了激光的亮度高、能量集中性好的特性，故A正確；用透明的標準平面樣板檢查光學平面的平整度是利用光的干涉現象，故B正確；觀看立體電影佩戴的眼鏡利用了光的偏振原理，故C正確；夏日雷聲有時轟鳴不絕，這是聲波的反射引起的回聲現象，故D錯誤。故選ABC。]
2．某同學使用激光器作光源，在不透光的擋板上開一條寬為0.05 mm的窄縫，進行光的衍射實驗，如圖所示，則他在光屏上看到的條紋是(　　)
A　　　　　B　　　　C　　　　　D
B　[根據衍射條紋的特點進行判斷，光的衍射條紋與狹縫平行，且中間寬、兩邊窄，間距不等，故B正確，A、C、D錯誤。]
3．(新情境題，以光纖電流傳感器為背景，考查光的偏振)如圖所示為光纖電流傳感器示意圖，它用來測量高壓線路中的電流。激光器發出的光經過左側偏振元件后變成偏振光，該偏振光受到輸電線中磁場作用，其偏振方向發生旋轉，通過右側偏振元件可測得最終偏振方向，由此得出高壓線路中的電流大小，圖中左側偏振元件是起偏器，出射光的偏振方向與其透振方向________________(選填“相同”或“不相同”)，右側偏振元件稱為______________。
[解析]　使自然光先經起偏器成為偏振光，出射光的偏振方向與其透振方向相同。右側偏振元件可測得最終偏振方向，所以它是檢偏器。
[答案]　相同　檢偏器
回歸本節知識，自我完成以下問題：
1．光發生明顯衍射的條件是什么？
提示：障礙物或孔的尺寸與波長相差不多，甚至比波長還小。
2．什么是光的偏振現象？
提示：只有沿偏振片的“透振方向”振動的光才能透過偏振片的現象。
3．激光有哪些特性？
提示：相干性好，平行度好，亮度高。
照耀未來的激光
激光并非只是科幻影片中最有用的射線，早在1917年，愛因斯坦最先提出這樣一種假設：光的發射與吸收可經由受激吸收、受激輻射與自發輻射3種基本過程。但在這以后相當長的一段時間內，有關受激輻射的研究并未引起人們的足夠重視。直到20世紀50年代，科學家才找到將它用在器件上的方法。1958年，應用這種理論研制出第一臺激光裝置；1960年，美國物理學家梅曼用一個紅寶石棒制造出第一臺激光器。在當時，激光僅是一種漂亮的發明，因為任何人，包括制造激光的科學家都沒能提出激光實際應用的設想。幾十年后的今天，形勢完全變了，激光在各個領域得到了廣泛的應用，已經成為一種不可替代的工具。從商品上的條形碼到尖端的外科手術，從激光打印機到激光雷達，激光顯然已經成為照耀現代科技的一道光芒。
激光是一種特殊的光，它能把巨大的能量投向一個很小的范圍，這束光可能強到足以氣化很硬或很耐熱的材料。激光是強烈的單色光，即只有一種顏色，因此光子的能量也是一樣的。激光不同于太陽光和燈光，因為后兩種光是由各種類型的能量組成，具有各種顏色，而激發紅寶石的電子得到的是紅激光束，而綠或藍激光束的獲得是激發氬或氪的氣體“云”。這樣人們就可以根據不同顏色即不同能量，正確地應用激光。
1．激光是怎樣產生的？
提示：激光是原子受激輻射產生的光。
2．激光有何特點？
提示：激光的三大特點：相干性好、平行度好、亮度高。
課時分層作業(十九)　光的衍射與偏振　激光
?題組一　光的衍射
1．如圖所示的四個圖樣中哪個是著名的泊松亮斑(　　)
A　　　　　　　　B
C　　　　　　　　D
B　[泊松亮斑為光繞過不透光的圓盤而在圓盤陰影中心形成的一個亮斑，其圖樣周圍還有明暗相間的圓環，故選項B正確。題圖A小孔較大，沒發生明顯的衍射。題圖D小孔較小，發生了小孔衍射。題圖C為干涉條紋。]
2．(多選)抽制細絲時可用激光監控其粗細，激光束越過細絲時產生條紋的規律和激光束通過遮光板的同樣寬度的窄縫時產生條紋的規律相同，則下列說法正確的是(　　)
A．這是利用光的干涉現象
B．這是利用光的衍射現象
C．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變粗了
D．如果屏上條紋變寬，表明抽制的絲變細了
BD　[由于是激光束越過細絲，也就是通過障礙物，所以這是利用光的衍射現象，A錯誤，B正確；當細絲較細時，細絲的直徑比較接近激光的波長，衍射現象會較明顯，條紋會更寬一些，C錯誤，D正確。]
3．(多選)下列說法正確的是(　　)
A．增加光柵的狹縫的個數，亮條紋變窄
B．增加光柵的狹縫的個數，亮條紋變寬
C．增加光柵的狹縫的個數，條紋亮度變暗
D．增加光柵的狹縫的個數，條紋亮度變亮
AD　[根據光柵特點可知選項A、D正確。]
4．某實驗小組用自制狹縫觀察光的干涉、衍射現象，在光屏上分別得到圖乙、圖丙兩幅圖樣。關于P處放置的自制狹縫，下列說法正確的是(　　)
A．乙對應雙縫，丙對應單縫
B．乙對應單縫，丙對應雙縫
C．都是單縫，乙對應的單縫較寬
D．都是雙縫，丙對應的雙縫間距較大
A　[雙縫干涉圖樣是亮暗相間的等寬條紋，單縫衍射圖樣的中間是寬亮條紋，兩側是明暗交替的窄條紋，所以題圖乙是雙縫干涉，題圖丙是單縫衍射。故選A。]
?題組二　光的偏振
5．如圖所示，讓太陽光(自然光)通過M上的小孔S后照射到M右方的偏振片P上，P的右側再放一光屏Q，現使P繞著平行于光傳播方向的軸勻速轉動一周，則關于光屏Q上的亮度變化情況，下列判斷中正確的是(　　)
A．只有當偏振片轉到某一適當位置時光屏被照亮，其他位置時光屏上無亮光
B．光屏上亮度基本不變
C．光屏上亮、暗交替變化出現
D．光屏上只有一條亮線隨偏振片的轉動而轉動
B　[太陽光是自然光，在垂直于光的傳播方向的平面內，光的振動沿一切方向，且各個方向上的光振動強度相同，所以旋轉偏振片只能改變光振動的方向，不能改變光的強度，光屏上亮度基本不變。故選B。]
6．關于下列四幅圖像，說法正確的是(　　)
A．圖甲，陽光下五顏六色的肥皂泡，是光的衍射現象
B．圖乙，玻璃中的氣泡看起來特別亮，是光的干涉現象
C．圖丙，觀看3D電影時，觀眾戴的3D眼鏡兩個鏡片透振方向平行
D．圖丁，全息照相利用光的干涉和衍射原理來記錄被攝物體信息
D　[題圖甲，陽光下五顏六色的肥皂泡，是光的干涉現象，故A錯誤；題圖乙，玻璃中的氣泡看起來特別亮，是光的全反射現象，故B錯誤；題圖丙，觀看3D電影時，觀眾戴的3D眼鏡兩個鏡片透振方向垂直，故C錯誤；題圖丁，全息照相利用光的干涉和衍射原理來記錄被攝物體信息，故D正確。故選D。]
7．如圖所示，一束自然光通過偏振片照射到光屏上，則圖中光屏上沒有發亮的是(偏振片上的箭頭表示其透振方向)(　　)
A　　　　　　　　　B
C　　　　　　　　　D
C　[自然光通過偏振片后成為偏振光，當偏振光的振動方向與偏振片的透振方向平行時能夠通過，垂直時不能通過。故選C。]
?題組三　激光
8．(多選)激光被譽為“神奇的光”，關于激光的應用，下列說法中正確的是(　　)
A．激光用來控制核聚變，是因為它的方向性好，光源的能量能集中在很小一點上，可以在空間某個小區域內產生極高的溫度
B．由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調制，用來傳遞信息
C．用激光攔截導彈，摧毀衛星，是因為激光在大氣中傳播不受大氣的影響
D．能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因為激光通過地球大氣不會發生折射
AB　[激光用來控制核聚變，是因為它的方向性好，光源的能量能集中在很小一點上，可以在空間某個小區域內產生極高的溫度，故A正確；由于激光是相干光，所以它能像無線電波那樣被調制，用來傳遞信息，故B正確；用激光攔截導彈，摧毀衛星，是因為激光方向性好、能量高，故C錯誤；能利用激光測量地面到月球表面的距離，是因為激光平行度好、方向性好，故D錯誤。故選AB。]
9．(多選)小明制作一個遠距離光傳音裝置，結構如圖所示，用互感器以及激光頭組成的電路對音樂信號進行調制，使得激光亮度隨音樂發生變化，在遠處的接收電路中，被激光照射的敏感元件的電阻值會隨激光亮度變化而變化，從而使得定值電阻R0兩端電壓發生相應的變化，再用擴音器把電信號轉化成音樂，下列相關說法正確的是(　　)
A．敏感元件可以是光敏電阻
B．激光頻率會隨音樂的變化而變化
C．流經激光頭的電流強度隨音樂的變化而變化
D．傳音距離“遠”是利用了激光的平行度好、亮度高的特點
ACD　[因被激光照射的敏感元件的電阻值會隨激光亮度變化而變化，則敏感元件可以是光敏電阻，選項A正確；激光亮度隨音樂發生變化，但是激光頻率不隨音樂的變化而變化，選項B錯誤；隨音樂的變化，互感器上的電流發生變化，則流經激光頭的電流強度隨音樂的變化而變化，選項C正確；傳音距離“遠”是利用了激光的平行度好、亮度高的特點，選項D正確。故選ACD。]
1．(多選)用激光做單縫衍射實驗和雙縫干涉實驗，比普通光源效果更好，圖樣更清晰。如果將感光元件置于光屏上，則不僅能在光屏上看到彩色條紋，還能通過感光元件中的信號轉換，在電腦上看到光強的分布情況(如圖所示)。下列說法正確的是(　　)
A．當做單縫實驗時，光強分布圖如乙所示
B．當做單縫實驗時，光強分布圖如丙所示
C．當做雙縫實驗時，光強分布圖如乙所示
D．當做雙縫實驗時，光強分布圖如丙所示
AD　[做單縫實驗時，中央是亮條紋，往兩側條紋亮度逐漸降低，且亮條紋的寬度不等，所以其光強分布圖如題圖乙所示，A正確，B錯誤；做雙縫實驗時，在屏上呈現的是寬度相等的亮條紋，所以其光強分布圖如題圖丙所示，C錯誤，D正確。]
2．對于以下的光學現象說法中正確的是(　　)
　
A．圖甲是雙縫干涉示意圖，若只將光源由紅色光改為綠色光，P0、P1兩相鄰亮條紋間距離Δx增大
B．圖乙是單色光單縫衍射實驗現象，若在狹縫寬度相同情況下，下圖對應光的波長較短
C．圖丙是用干涉法檢測工件表面平整程度時得到的干涉圖樣，彎曲的干涉條紋說明被檢測的平面在此處是凹下的
D．圖丁中的P、Q是偏振片，當P固定不動，緩慢轉動Q時，光屏上的光亮度將一明一暗交替變化，此現象表明光波是縱波
B　[根據Δx＝λ，若只將光源由紅色光改為綠色光，波長λ變短，相鄰亮條紋間距離Δx將減小，A錯誤；由題圖可知，上圖的衍射現象比下圖更明顯，可知在狹縫寬度相同情況下，下圖對應的光波長較短，B正確；由題圖可知，條紋向空氣薄膜較厚處發生彎曲，說明彎曲處的光程差變短，空氣薄膜間距變小，則被檢測的平面在此處是凸起的，C錯誤；緩慢轉動Q時，光屏上的光亮度將一明一暗交替變化，表明光波是橫波，D錯誤。故選B。]
3．某同學利用圖甲所示的裝置研究光的干涉和衍射，光電傳感器可用來測量光屏上光強的分布，某次實驗時，在電腦屏幕上得到圖乙所示的光強分布，這位同學在縫屏上安裝的是______________(選填“單縫”或“雙縫”)。當做干涉現象研究時，若要使干涉條紋的間距變大，可選用寬度較______________的雙縫(選填“寬”或“窄”)，或使縫與光屏間的距離______________(選填“增大”或“減小”)。
甲　　　　　　　　　　乙
[解析]　由題圖乙可知，條紋中間亮、兩邊較暗，是衍射條紋，所以在縫屏上安裝的是單縫；根據Δx＝λ知，要使干涉條紋間距變大，可使雙縫的寬度減小，即選擇寬度較窄的雙縫，或使雙縫與光屏間的距離增大。
[答案]　單縫　窄　增大
4．如圖所示，在楊氏雙縫干涉實驗中，下述情況能否看到干涉條紋？簡單說明理由。
(1)在單色自然光源S后加一偏振片P；
(2)在(1)的情況下，再加偏振片P1、P2，并使P1與P2的透振方向相互垂直。
[答案]　(1)能。到達S1、S2的光是從同一偏振光分解出來的，它們滿足相干條件，能看到干涉條紋，只是強度由于偏振片的吸收作用而減弱。
(2)不能。由于從P1、P2射出的光的振動方向相互垂直，不滿足振動方向相同的干涉條件，故光屏E被均勻照亮，但無干涉現象。
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